[發明專利]一種Gemini型分散劑分散碳納米管的方法

在審

• 申請號: 201611152656.0
• 申請日: 2016-12-14
• 公開（公告）號: CN106629670A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 杜文博;侯江濤;王朝輝;劉軻;李淑波;杜憲;趙晨辰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C01B32/174
• 分類號: C01B32/174;B01F17/12
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張立改

技術領域

本發明涉及碳納米管的分散領域，具體為一種新的碳納米管分散方法。

背景技術

碳納米管(Carbon Nanotube,簡稱CNT)自發現以來，其優良的力學、熱學、電學、光學等性能日益引起各界廣泛關注。碳納米管的楊氏模量和剪切模量都與金剛石相當，其軸向楊氏模量接近2TPa、抗拉強度高達100GPa，為鋼的100倍，是高強度碳纖維的20多倍，密度僅為1.35g/cm³左右，為鋼的1/6、鋁的1/2、鎂的3/4，同時，碳納米管具有良好的導電、導熱性能、優良的自潤滑性和生物相容性。因此，碳納米管被認為是陶瓷、聚合物、金屬等基體材料的理想強化相。

碳納米管雖具有諸多優點及廣泛的應用前景，但其是納米材料，長徑比、表面積很大，為了降低自由能，碳納米管傾向聚合成團以降低表面能，這是自發傾向行為。因此在實際應用過程中，其團聚形態往往會破壞單根碳納米管所表現出的優異的力學、電學特性，從而限制了碳納米管的應用。目前碳納米管的分散方法主要有機械法、共價鍵修飾法、非共價鍵修飾法。如在“球磨分散工藝對碳納米管分散的影響”(黃民富等.材料導報,2013(S2):第35-38頁)文章中對碳納米管分別進行干式球磨和濕式球磨分散處理，結果表明碳納米管在球磨的沖擊作用下，碳納米管團聚體被一定程度地打開。在“一種提高碳納米管分散性的方法”(授權公布號CN 104861743 A)的發明中，其公布了一種共價鍵修飾法，分散方法是先將環糊精和硅烷偶聯劑KH560進行反應制得KH560/β-CD；然后將碳納米管進行酸化，使得碳納米管上引入大量的羥基和羧基，得到酸化碳納米管；最后將KH560/β-CD和酸化碳納米管進行反應制得環糊精改性碳納米管。

但是，機械法不僅分散效果差，而且機械外力會破壞碳納米管獨特的結構；共價鍵修飾法雖可以一定程度地將碳納米管分散，但是不可避免地引入共價鍵從而改變碳納米管的結構，影響了其獨特性能的發揮。非共價鍵修飾法分散碳納米管時，主要以物理吸附，不產生共價鍵，因而不會破壞碳納米管的結構，且改性劑在后期應用中易除去。傳統的非共價鍵分散劑主要以離子型為主，但其只有一個親水基和一個親油基，由于這種表面活性劑疏水鏈之間的締合作用與離子頭基間電荷斥力和水化作用引起的分離作用存在平衡，使得它們在界面或分子聚集體中不能更緊密排列，所以分散能力有限。因此，開發新型分散劑來改善傳統非共價鍵分散劑的缺點是急需的。

發明內容

本發明的技術目的主要是針對當前傳統分散劑分散碳納米管中的不足，開發一種新的不破壞碳納米管結構、效果更好且更加穩定的分散碳納米管的方法。該方法通過新型分散劑(Gemini分散劑)對碳納米管的表面進行修飾，改善其溶解性，然后在超聲震蕩作用下使碳納米管團聚體分散開，形成均勻穩定的分散液。方法中使用的分散劑為4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽。該方法具有分散效果好、分散穩定、易操作、工藝流程短、制備周期短、環境污染小等優點。

本發明是通過以下技術方案實現的，一種Gemini型分散劑分散碳納米管的方法，其步驟為：

(1)碳納米管分散劑溶液的制備；(2)碳納米管的分散處理。

具體如下：

(1)碳納米管分散劑溶液的制備

稱取一定質量的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽加入到溶劑中，水浴加熱并保溫一段時間后，攪拌至全部溶解，制成4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽(雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽)溶液，水浴溫度為40～60℃，雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽濃度優選為500～10000mg/L，冷卻至室溫得到分散劑溶液；

上述使用的雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽優選為4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉、4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鉀，溶劑優選為去離子水、乙醇、及二者任意比例的混合液。

(2)碳納米管的分散處理

稱量一定質量的碳納米管加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，碳納米管的濃度優選為100～2000mg/L；將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，進行超聲，在超聲的同時還間歇采用機械攪拌。優選超聲時間為20～200min，用T表示，機械攪拌先進行0.1～0.2T后停歇0.3～0.4T，然后機械攪拌再次開始，進行0.1～0.2T后再次停歇0.3～0.4T，以此類推。優選機械攪拌兩次，停歇兩次。

上述所用碳納米管可為單壁碳納米管、多壁碳納米管或兩種碳納米管不同含量的組合，且碳納米管的純度優選不小于99.0wt.％。